朱李英 梁 勇

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 崇州 611231；2.四川省清源工程咨詢有限公司， 四川 成都 610072）

1 概述

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣境內(nèi)，是碩曲河干流鄉(xiāng)城、得榮段“一庫(kù)六級(jí)”梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的“龍頭水庫(kù)”電站。水電站采用混合式開(kāi)發(fā)，電站裝機(jī)容量205.4MW。工程規(guī)模為大(2)型工程，工程等別為Ⅱ等。

截止2019年3月，引水隧洞開(kāi)挖長(zhǎng)約14.44km，占總長(zhǎng)20.363km的71%。其中Ⅲ類圍巖約占70%，Ⅳ類圍巖約占15.5%，Ⅴ類圍巖約占14.5%。開(kāi)挖揭示隧洞圍巖地質(zhì)條件與可研報(bào)告預(yù)測(cè)基本一致，前段圍巖好于可研預(yù)測(cè)，后段圍巖較可研預(yù)測(cè)差，主要為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，其中Ⅴ類圍巖比例較預(yù)測(cè)高。

本工程引水隧洞是工程的施工關(guān)鍵線路，在永久襯砌前開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[1]，加快工程進(jìn)度、減少工程投資具有重大意義。本次優(yōu)化重點(diǎn)針對(duì)IV、V類圍巖進(jìn)行。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)工作思路

優(yōu)化工作主要從現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)確定合理的圍巖參數(shù)、細(xì)分圍巖類別和公式法計(jì)算著手，具體如下：

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)設(shè)代資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，對(duì)已劃分的圍巖類別進(jìn)行復(fù)核，并進(jìn)一步對(duì)隧洞圍巖類別進(jìn)行細(xì)分，將Ⅳ類圍巖分為Ⅳ上、Ⅳ下；

（2） 在現(xiàn)場(chǎng)已開(kāi)挖的隧洞內(nèi)，針對(duì)不同的巖性、不同的圍巖類別分別進(jìn)行聲波、變形模量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)成果對(duì)影響圍巖分?jǐn)們?nèi)水壓力比例的彈性抗力系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。并根據(jù)各類圍巖類別復(fù)核后的彈性抗力系數(shù)，采用與之相對(duì)應(yīng)的彈性抗力系數(shù)進(jìn)行襯砌計(jì)算；

（3） 根據(jù)試驗(yàn)成果所提供的圍巖參數(shù)，采用公式法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，并最終確定優(yōu)化后的襯砌厚度和配筋面積。

3 工程地質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 引水隧洞工程地質(zhì)條件

引水線路沿線山體雄厚，谷坡陡峻，基巖大多出露，兩岸自然坡度一般40～55o，局部為陡崖，沿線山頂高程多為4000～5000m。隧洞沿線物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖體的風(fēng)化卸荷及局部崩塌，滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育。河谷兩岸基巖大多裸露，常形成陡崖，巖體風(fēng)化較弱，一般表現(xiàn)為節(jié)理裂隙面的風(fēng)化銹染，板巖及局部順層擠壓破碎帶風(fēng)化相對(duì)較強(qiáng)。

可研與施工階段工程地質(zhì)條件復(fù)核對(duì)比發(fā)現(xiàn)地層巖性與可研報(bào)告基本一致; 地質(zhì)構(gòu)造和軟弱結(jié)構(gòu)面，沿線未見(jiàn)大的斷層分布，優(yōu)勢(shì)節(jié)理和軟弱結(jié)構(gòu)面特征與可研報(bào)告預(yù)測(cè)基本一致；引水隧洞地下水類型主要為基巖裂隙水；圍巖類別截止2019年3月，已完成開(kāi)挖引水隧洞長(zhǎng)約14.44km，占總長(zhǎng)20.363km的71%。已開(kāi)挖洞段Ⅲ類圍巖約占70%類，Ⅳ類圍巖約占15.5%，Ⅴ類圍巖約占14.5%。

開(kāi)挖揭示引水隧洞前段圍巖好于可研預(yù)測(cè)，后段圍巖較可研預(yù)測(cè)差，主要為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，其中Ⅴ類圍巖比例增加較多。

在隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隧洞圍巖類別進(jìn)行復(fù)核鑒定，將Ⅳ類圍巖細(xì)分為Ⅳ上、Ⅳ下兩個(gè)亞類。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)

試驗(yàn)采用剛性承壓板法，本次變形試驗(yàn)加載方向均為水平方向，采用逐級(jí)一次循環(huán)法加荷。試驗(yàn)時(shí)對(duì)加壓設(shè)備運(yùn)行情況、試點(diǎn)周圍巖體隆起或裂紋開(kāi)展和變形等進(jìn)行記錄和描述。

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)變形試驗(yàn)主要布置在隧洞底板側(cè)壁，即變形試驗(yàn)加載方向主要為垂直層面，試驗(yàn)所得巖體變形模量較順層方向加載偏小，與實(shí)際隧洞內(nèi)水壓力方向基本吻合，試驗(yàn)所得巖體變形模量數(shù)據(jù)可靠。

3.3 波速-模量關(guān)系式的建立

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)和波速測(cè)試成果[2]，由同一位置獲得的巖體波速和對(duì)應(yīng)的變形模量，建立波速～變形模量關(guān)系，推算各類圍巖松動(dòng)圈及未擾動(dòng)巖體變形模量。

本次變形試驗(yàn)位置選在隧洞壁底板下約1m位置，根據(jù)聲波試驗(yàn)隧洞圍巖松動(dòng)圈厚度以及變形試驗(yàn)點(diǎn)位巖體地質(zhì)特征，并結(jié)合試驗(yàn)加載影響深度，綜合分析認(rèn)為：Ⅲ類圍巖巖體松動(dòng)圈厚度較小，變形試驗(yàn)點(diǎn)巖體多為未擾動(dòng)巖體，變形試驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)果主要反應(yīng)未擾動(dòng)巖體變形模量；Ⅳ類圍巖松動(dòng)圈范圍相對(duì)較大，變形試驗(yàn)點(diǎn)巖體存在一定厚度的松動(dòng)圈，變形試驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)了部分松動(dòng)圈巖體變形模量；Ⅴ類圍巖因最大松動(dòng)圈達(dá)到1.8m，變形試驗(yàn)點(diǎn)巖體主要為松動(dòng)圈巖體，變形試驗(yàn)所得試驗(yàn)結(jié)果主要反應(yīng)松動(dòng)圈巖體變形模量。

用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變形試驗(yàn)所得變形模量，以及每組變形試驗(yàn)對(duì)應(yīng)聲波孔中相應(yīng)范圍內(nèi)的波速平均值，分別采用excel和origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，最終確定最優(yōu)的聲波Vp(km/s)與變形模量E0(MPa)的擬合關(guān)系，擬合回歸關(guān)系式如式（1）：

該擬合公式采用了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.963，決定系數(shù)R2達(dá)到0.93，說(shuō)明該公式合理可行。由建立的波速～模量關(guān)系式可分別對(duì)松動(dòng)圈波速和未擾動(dòng)圍巖波速進(jìn)行計(jì)算。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果

試驗(yàn)點(diǎn)均布置在具有代表性的各類圍巖洞段，試驗(yàn)成果具有較好的代表性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，可取均值作為參數(shù)取值成果。綜合前述試驗(yàn)成果分析整理，波速和變形模量試驗(yàn)取值成果Ⅲ類圍巖松動(dòng)圈厚度0.7mm，變形模量試驗(yàn)均值為6698Mpa;Ⅳ上類圍巖松動(dòng)圈厚度0.8mm，變形模量試驗(yàn)均值為2441Mpa;Ⅳ下類圍巖松動(dòng)圈厚度0.8mm，變形模量試驗(yàn)均值為1553Mpa;Ⅴ類圍巖松動(dòng)圈厚度1.0mm，變形模量試驗(yàn)均值為549Mpa。

結(jié)合巖體變形和聲波測(cè)試成果，考慮內(nèi)水外滲可能出現(xiàn)的滲透破壞和對(duì)沿線道路和覆蓋層邊坡穩(wěn)定等的影響和危害，建議水工根據(jù)隧洞內(nèi)水壓力、隧洞埋深、巖體滲透坡降、危害程度等各種因素進(jìn)行綜合分析，對(duì)特殊洞段加強(qiáng)襯砌和防滲設(shè)計(jì)。

4 引水隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

綜合已建工程實(shí)例，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)襯砌厚度根據(jù)地質(zhì)條件和作用水頭分段擬定如下： (隧)0+000～ (隧)17+770km洞段的Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度為40cm和60cm；(隧)17+770km至隧洞末端洞段的Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度分別為50cm和70cm。

根據(jù)隧洞開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件顯示，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)將混合襯砌段及全襯段的界限調(diào)整為(隧)13+000，其中前段采用噴錨混凝土襯砌+鋼筋混凝土襯砌的混合襯砌方式，后段采用全線鋼筋混凝土襯砌型式。

本次采用公式法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。公式法主要研究對(duì)象為有壓圓形隧洞[3]，假定圍巖是均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性的理想彈性體。在內(nèi)水壓力作用下，厚壁圓筒已開(kāi)裂，筒壁不承擔(dān)拉應(yīng)力，只有襯砌中所配鋼筋可以承擔(dān)拉應(yīng)力，在此條件下，根據(jù)襯砌與圍巖變形一致原則，建立力的平衡方程式，并假定鋼筋已達(dá)許用應(yīng)力，計(jì)算出所需鋼筋面積和圍巖的抗力。

按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則[4]進(jìn)行引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算時(shí)公式法主要考慮運(yùn)行工況、施工完建工況和檢修工況。

下面以Ⅴ類圍巖運(yùn)行工況下襯砌為例，對(duì)隧洞進(jìn)行配筋計(jì)算。按照規(guī)范附錄中的雙層筋鋼筋混凝土襯砌計(jì)算，計(jì)算公式如式（2）：

式中：P——均勻內(nèi)水壓力(隧洞襯砌內(nèi)緣頂部的內(nèi)水壓力)，kN/m2；K0——圍巖單位彈性抗力系數(shù)，N/cm3；Ec——混凝土彈性模量，N/mm2；Es——鋼筋彈性模量，N/mm2；f——鋼筋斷面面積，mm2；[σs]——鋼筋允許應(yīng)力設(shè)計(jì)值；fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；r0——襯砌外緣半徑，mm；ri——襯砌內(nèi)緣半徑，mm；rd——結(jié)構(gòu)系數(shù)。

引水隧洞正常水位工況Ⅴ類圍巖襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際配筋采用6Φ25@167、7 Φ28@143、6Φ32@167、7Φ32@143主要形式，最大裂縫寬度均滿足0.3mm以下，襯砌厚度60mm-70mm，鋼筋最大允許應(yīng)力均小于222.2MPa。

4.2 引水隧洞優(yōu)化成果

公式法對(duì)引水隧洞進(jìn)行優(yōu)化襯砌時(shí)Ⅳ類圍巖采用單層配筋，Ⅴ類圍巖采用雙層對(duì)稱配筋。本次優(yōu)化沒(méi)考慮引水隧洞固結(jié)灌漿作用，固結(jié)灌漿作為儲(chǔ)備考慮。引水隧洞Ⅳ上類圍巖洞段優(yōu)化后襯砌厚度從原本的50cm改為40cm，鋼筋直徑顯著變細(xì)，鋼筋間距基本保持不變；Ⅳ上類圍巖洞段優(yōu)化后襯砌厚度從原本的50cm改為40cm，鋼筋直徑略有變細(xì)，鋼筋間距基本保持不變；Ⅴ類圍巖洞段優(yōu)化后襯砌厚度改為60cm和70mm，鋼筋直徑顯著變細(xì)，鋼筋間距基本保持不變。

5 結(jié)論

在永久襯砌前開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，其主要優(yōu)勢(shì)在于以下幾點(diǎn)：

（1）圍巖復(fù)核優(yōu)化：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)收集的地質(zhì)資料進(jìn)行梳理復(fù)核，對(duì)隧洞圍巖進(jìn)行了優(yōu)化，將Ⅳ類圍巖細(xì)分為兩個(gè)亞類，在確保工程安全的前提下，將少部分Ⅳ類和Ⅴ類圍巖分別調(diào)整為Ⅲ類和Ⅳ下類，為隧洞優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)布置提供地質(zhì)資料。

（2）襯砌形式優(yōu)化：內(nèi)水壓力較大，引水隧洞布置采用繞溝方式，洪祖溝和洼龍溝淺埋段采用鋼襯過(guò)溝，隧洞采用圓形斷面型式，襯砌根據(jù)水頭段(隧)13+000之前段采用噴錨+混凝土襯砌的混合襯砌型式[5]，(隧)13+000之后采用全線混凝土襯砌型式。

（3）節(jié)省工程直接投資：優(yōu)化后某水電站引水隧洞可節(jié)省鋼筋3074t，節(jié)省混凝土10110m3，優(yōu)化前后成果進(jìn)行了直接投資分析，優(yōu)化后工程直接投資節(jié)省了2891萬(wàn)元。通過(guò)計(jì)算表明，某水電站引水隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)及鋼筋配置做適當(dāng)優(yōu)化是必要的。